3.淬火冷却方法

3.淬火冷却方法

淬火分为两个主要阶段,即加热和冷却。为了使模具零件淬火冷却时最大限度地减少变形和开裂,除正确地进行加热和合理选择淬火冷却介质外,还应根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选用合适的淬火方法。常用的淬火方法有单液淬火法、双液淬火法、喷射淬火法、分级淬火法和等温淬火法等。

(1)单液淬火法

将钢或零件加热到奥氏体化后淬入水、油或其他淬火冷却介质中,经过一定时间冷却(冷却到低于珠光体转变温度区域或马氏体转变温度区域)取出空冷。由于冷却过程在单一的淬火冷却介质中完成,故称为单液淬火法。

单液淬火时碳素钢零件一般淬水,合金钢零件一般在油中冷却。单液淬火操作简单,应用普遍,易于实现机械化和自动化。但钢件在马氏体转变区冷却较快,容易产生较大的组织应力,从而增大工件的变形,甚至开裂。形状复杂的模具在单液淬火冷却时可在空气中预冷一段时间再淬火冷却,预冷时以不引起高温转变为宜。

(2)双液淬火法

淬火冷却过程是在两种淬火冷却介质(最常用的是水、油)中配合完成的,冷却过程较为理想,即在珠光体转变区域快速冷却,在马氏体转变区域缓慢冷却。具体做法是,将加热到奥氏体化温度的钢或零件先淬入高温区快冷的第一种介质中(通常是水或盐水溶液),以抑制过冷奥氏体的珠光体转变,当冷却到400℃左右时,迅速取出转入低温区缓冷的第二种介质中(通常为油)。由于马氏体转变在较缓和的冷却条件下进行,可有效地缓解或防止变形和开裂,俗称“水淬油冷”。此法需要较高的操作技巧。有时可理解为三种介质,即先水、后油、最终是空气。

双液淬火的优点是由于工件在马氏体转变温度区缓冷,产生的组织应力比较小,可以降低工件淬火时内应力、变形和裂纹的危险。但此法的缺点是工件在第一种介质中冷却的停留时间较难控制,如果停留时间过长,工件的温度已降至Ms点以下,已发生马氏体转变,就相当于单液淬火,容易产生变形与开裂;如果停留时间过短,则缓冷时奥氏体可能发生珠光体转变,工件淬不硬。根据实践经验,工件在水中停留时间,可按每3~5mm(直径或厚度)为1s计算。水、油双液淬火主要用于高碳钢零件和合金钢制大型零件。

(3)喷射淬火法

大型复杂特别是厚薄相差大的工件,为使冷却均匀,避免过大的淬火应力,控制好冷却过程不同阶段不同部位的冷却速度,可采用喷液(水或水溶液)、喷雾(压缩空气和水经雾化喷射到零件不同部位)、气淬等多种方式。其优点是控制不同介质或不同流量、压力来调节各温度区域的冷却速度,或改变喷嘴数量和位置使冷却均匀。(https://www.daowen.com)

(4)分级淬火法

将加热到奥氏体化的模具零件淬入温度在马氏体转变温度附近的淬火冷却介质(常用的为盐浴)中,停留一段时间,待模具的内外层都达到介质温度后取出空冷,以较低的冷却速度完成马氏体转变,此法能显著减少变形并且提高钢的韧性,是模具零件常用的淬火方法。

分级淬火的温度选择有两种:一种是取被处理工件钢种的马氏体转变开始温度(Ms点)以上10~30℃;另一种是选取Ms点以下80~100℃。分级的停留时间一定要掌握好,过短则温度不够均匀,未能达到分级淬火的目的;过长则可能发生非马氏体相变而降低硬度。

但是分级淬火时由于盐浴、碱浴的冷却能力差,对于奥氏体不稳定的碳素钢,只能用于厚度和直径不超过10mm的模具零件。如果尺寸较大,冷却速度较低,容易形成珠光体组织而达不到淬火的目的。分级淬火最适合用于奥氏体稳定性较大的合金钢工件,特别是形状复杂、尺寸要求精确的模具。

(5)等温淬火法

将加热到奥氏体化温度的模具零件淬入温度稍高于被淬火钢种Ms点的盐浴或碱浴中,保温足够时间,完成相变以获得下贝氏体组织或下贝氏体和马氏体混合组织,然后取出空冷,这种方法称为等温淬火。

等温淬火产生的内应力很小,工件不易产生变形和开裂,而且下贝氏体组织具有较高的硬度、强度、耐磨性和韧性。一般情况下,等温淬火可不再进行回火处理。

由于碱浴或盐浴的冷却能力低,故等温淬火只适用于处理形状复杂和尺寸要求精确的较小工件,如刃具、模具等。对于硬度要求高的模具钢,此法硬度往往达不到要求。